專利名稱：高分子電解質(zhì)型燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及便攜式電源、電動(dòng)汽車用電源、家庭中熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)等中所使用的采用了固體高分子電解質(zhì)的燃料電池。
背景技術(shù)：
使用了固體高分子電解質(zhì)的燃料電池通過(guò)使含有氫的燃料氣體和空氣等含有氧的氧化劑氣體進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，來(lái)同時(shí)產(chǎn)生電能和熱?；旧鲜怯捎羞x擇地輸送氫離子的高分子電解質(zhì)膜和夾著所述高分子電解質(zhì)膜的一對(duì)電極來(lái)構(gòu)成。電極由以載持了鉑族金屬催化劑的碳粉末為主要成分的催化劑層、以及形成在催化劑層外表面上的兼有透氣性和電子導(dǎo)電性的氣體擴(kuò)散層構(gòu)成。
以被供給的燃料氣體和氧化劑氣體不向外泄漏、或者兩種氣體不相互混合的方式，在電極的周圍夾著高分子電解質(zhì)膜來(lái)配置氣體密封件和墊圈。該密封件和墊圈與電極和高分子電解質(zhì)膜一體化并預(yù)先組裝。將其稱為MEA(電解質(zhì)膜電極接合體)。在MEA的外側(cè)，配置有機(jī)械式地將其固定、并且用于相互串聯(lián)電連接鄰接的MEA的導(dǎo)電性隔板。在隔板與MEA接觸的部分中，形成用于向電極面供給反應(yīng)氣體并運(yùn)走生成水和剩余氣體的氣體流路。雖然氣體流路也能夠與隔板單獨(dú)設(shè)置，但是一般的方式還是在隔板表面設(shè)置槽來(lái)作為氣體流路。
為了向該槽內(nèi)供給反應(yīng)氣體，就需要配管卡具，該卡具將供給氣體的配管分支成所使用的隔板的個(gè)數(shù)，并將該分支頭直接連入隔板的槽內(nèi)。將該卡具稱為歧管，將從上述的反應(yīng)氣體的供給配管直接連入的類型稱為外部歧管。在該歧管中，有結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單的稱作內(nèi)部歧管的形式的歧管。所謂內(nèi)部歧管就是在形成了氣體流路的隔板上設(shè)置貫通的孔，而且將氣體流路的入口通至該孔，并從該孔直接供給反應(yīng)氣體。
該孔的面積必須比全部隔板的氣體流路的總截面面積大。這是因?yàn)?，?dāng)該孔的面積較小時(shí)氣體供給時(shí)的歧管中的壓力損失變大，由鼓風(fēng)機(jī)等進(jìn)行的氣體供給中所需的作功量就增大，而結(jié)果就導(dǎo)致了系統(tǒng)整體的效率下降。而且，為了避免這樣的問(wèn)題，并且不產(chǎn)生在歧管中的不必要的壓力損失，就必須使所述孔的面積增大。
由于燃料電池在運(yùn)轉(zhuǎn)中發(fā)熱，所以為了將電池維持在良好的溫度狀態(tài)就必須進(jìn)行冷卻。通常按照每1～3個(gè)電池在隔板與隔板之間插入流過(guò)冷卻介質(zhì)的冷卻部。在隔板的背面上設(shè)置冷卻介質(zhì)的流路來(lái)作為冷卻部的情況較多。但一般的層疊電池的構(gòu)造是在交替地重疊這些MEA、隔板和冷卻部并層疊了10～200個(gè)電池后，經(jīng)由集電板和絕緣板，用端板將其夾住，并用箍緊桿從兩端來(lái)固定。
這里，作為現(xiàn)有的燃料電池，有下述電池將氣體供給管或氣體排出管的內(nèi)壁下端的高度設(shè)定成與貫通隔板內(nèi)的歧管下端的高度相同的位置、或比其更低的位置(特開(kāi)2002-343400號(hào)公報(bào))。此外，也有下述電池出口側(cè)(排出)歧管延長(zhǎng)到比與氣體流路的出口一側(cè)歧管相聯(lián)系的部分更下方地形成，氣體排出管也設(shè)置在比與氣體流路的出口一側(cè)歧管相聯(lián)系的部分更下方(特開(kāi)2003-223922號(hào)公報(bào))。
在這種燃料電池的高分子電解質(zhì)膜中使用全氟磺酸系的材料。該高分子電解質(zhì)膜由于在含有水分的狀態(tài)下產(chǎn)生離子傳導(dǎo)性，所以通常就必須加濕燃料氣體或氧化劑氣體來(lái)進(jìn)行供給。此外，由于在陰極一側(cè)通過(guò)反應(yīng)而生成水，所以當(dāng)以具有比電池的動(dòng)作溫度更高的露點(diǎn)的方式來(lái)加濕氣體并進(jìn)行供給時(shí)，就有在電池內(nèi)部的氣體流路或電極內(nèi)部產(chǎn)生結(jié)露，由水阻塞等現(xiàn)象引起的電池性能不穩(wěn)定、或者性能下降的問(wèn)題。通常，將產(chǎn)生由這樣的濕潤(rùn)過(guò)度引起的電池性能下降或動(dòng)作不穩(wěn)定的現(xiàn)象稱為溢阻現(xiàn)象。當(dāng)在陽(yáng)極一側(cè)產(chǎn)生該現(xiàn)象時(shí)，就導(dǎo)致了燃料氣體的缺乏，對(duì)電池形成致命傷。這是在燃料氣體不足的狀態(tài)下，當(dāng)強(qiáng)制取出負(fù)載電流，想要生成電子和質(zhì)子時(shí)，載持了陽(yáng)極側(cè)的催化劑的碳就與氣氛中的水發(fā)生了反應(yīng)。其結(jié)果是，通過(guò)催化層的碳的溶解析出，就破壞了陽(yáng)極側(cè)的催化劑層。因此，就必須對(duì)陽(yáng)極側(cè)的溢阻給予充分的注意。
此外，當(dāng)用燃料電池形成發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，必須進(jìn)行包含供給氣體的加濕等的系統(tǒng)化。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的簡(jiǎn)單化、系統(tǒng)效率的提高，最好是少量地降低供給氣體的加濕露點(diǎn)來(lái)進(jìn)行供給。如上所述，從防止溢阻現(xiàn)象、系統(tǒng)效率的提高、系統(tǒng)的簡(jiǎn)單化等觀點(diǎn)來(lái)看，供給氣體通常是相對(duì)于電池溫度以稍低的露點(diǎn)來(lái)進(jìn)行加濕并進(jìn)行供給的。
但是，為了實(shí)現(xiàn)電池的高性能化，就必須提高高分子電解質(zhì)膜的離子傳導(dǎo)度。因此，最好是以成為接近相對(duì)濕度100％的濕度、或相對(duì)濕度100％以上的方式對(duì)供給氣體進(jìn)行加濕并供給。此外，從高分子電解質(zhì)膜的耐久性觀點(diǎn)來(lái)看也最好是用高加濕來(lái)供給供給氣體。
當(dāng)以成為接近相對(duì)濕度100％的濕度來(lái)加濕并供給供給氣體時(shí)，供給氣體在燃料電池組的上游側(cè)結(jié)露的可能性變高，有時(shí)，結(jié)露水成為霧沫，并被提供給電池組。在隔板面與重力方向平行，且隔板面的重力方向上部設(shè)置了用于氣體供給的入口側(cè)歧管時(shí)，因重力的影響，該霧沫就向接近氣體供給管的電池集中并流入。其結(jié)果是，這些電池由于溢阻現(xiàn)象而使性能下降。進(jìn)而，當(dāng)入口側(cè)歧管不位于重力方向上部時(shí)，就在入口側(cè)歧管內(nèi)滯留了霧沫，引起氣體供給變得不穩(wěn)定的現(xiàn)象。與此相同，根據(jù)電池的不同，氣體供給量也發(fā)生了微妙的差異。
此外，在特開(kāi)2002-343400號(hào)公報(bào)記載的燃料電池中，就有氣體供給管或氣體排出管從歧管的投影面露出、而在隔板面內(nèi)產(chǎn)生無(wú)助于發(fā)電的無(wú)用的區(qū)域的可能性。進(jìn)而，在特開(kāi)2003-223922號(hào)公報(bào)記載的發(fā)明中，只對(duì)出口側(cè)歧管進(jìn)行了限定，可能會(huì)導(dǎo)致由入口側(cè)歧管引起的燃料電池的不穩(wěn)定現(xiàn)象。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決上述問(wèn)題，提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)層疊電池組的全部電池進(jìn)行均勻的氣體供給的燃料電池。即，本發(fā)明的目的是能夠在歧管內(nèi)部不滯留結(jié)露水，均勻穩(wěn)定地供給氣體，因而，提供一種沒(méi)有電池性能下降或不穩(wěn)定化的、可靠性高的小型高分子電解質(zhì)型燃料電池。
本發(fā)明的高分子電解質(zhì)型燃料電池，具備電池組，該電池組由以下部分構(gòu)成氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜；夾著所述氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜的一對(duì)電極；以及具有對(duì)所述一個(gè)電極進(jìn)行燃料氣體的供給·排出的氣體流路、和具有對(duì)另一個(gè)電極進(jìn)行氧化劑氣體的供給·排出的氣體流路的一對(duì)導(dǎo)電性隔板，其特征在于所述導(dǎo)電性隔板的燃料氣體和氧化劑氣體的至少一個(gè)氣體流路與入口側(cè)歧管相聯(lián)系的部分的最下部與連接到所述歧管上的氣體供給管的位置相比，在重力方向上，位于上側(cè)。當(dāng)有多個(gè)氣體流路時(shí)，最下面的氣體流路的最下部只要是與連接到所述歧管上的氣體供給管的位置相比、在重力方向上位于上側(cè)就可以。
這里，所述導(dǎo)電性隔板被設(shè)置成與重力方向平行。
所述入口側(cè)歧管最好是具有縱長(zhǎng)形狀。
與所述入口側(cè)歧管連接的所述氣體供給管的連接位置最好是與所述歧管的中央相比位于下方。
所述導(dǎo)電性隔板的至少一個(gè)氣體流路與出口側(cè)歧管相聯(lián)系的部分、以及所述出口側(cè)歧管與氣體排出管的接合部分最好是位于所述出口側(cè)歧管內(nèi)的下方。
此外，所述供給歧管最好是在所述氣體供給管與所述最下部之間，在其截面形狀中具有細(xì)腰部。
所述氣體供給管最好是延長(zhǎng)至所述供給歧管內(nèi)。
最好是在所述供給歧管內(nèi)，在所述氣體供給管的延長(zhǎng)部分的上部側(cè)面上設(shè)有至少一個(gè)孔。
此外，最好是設(shè)有多個(gè)所述孔，并使所述孔彼此的間隔隨著遠(yuǎn)離所述氣體供給管與所述供給歧管的連接部分而變窄。


圖1是本發(fā)明實(shí)施方式1的燃料電池中所使用的導(dǎo)電性隔板陰極側(cè)的正視圖。
圖2是本發(fā)明實(shí)施方式1的燃料電池的側(cè)視圖。
圖3是本發(fā)明實(shí)施方式2的燃料電池中所使用的導(dǎo)電性隔板陰極側(cè)的正視圖。
圖4是本發(fā)明實(shí)施方式3的燃料電池中所使用的導(dǎo)電性隔板陰極側(cè)的正視圖。
圖5是本發(fā)明實(shí)施方式4的燃料電池中所使用的導(dǎo)電性隔板陰極側(cè)的正視圖。
圖6是本發(fā)明實(shí)施方式5的燃料電池中所使用的導(dǎo)電性隔板陰極側(cè)的正視圖。
圖7是本發(fā)明實(shí)施方式6的燃料電池中所使用的導(dǎo)電性隔板陰極側(cè)的正視圖。
圖8是比較例的燃料電池中所使用的導(dǎo)電性隔板陰極側(cè)的正視圖。
圖9是表示本發(fā)明實(shí)施例1與比較例1的燃料電池的各電池電壓的比較的圖。
圖10是表示本發(fā)明實(shí)施例1、實(shí)施例2與比較例1在燃料電池的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電壓變化的圖。
圖11是本發(fā)明實(shí)施方式7的燃料電池中所使用的導(dǎo)電性隔板陰極側(cè)的正視圖。
圖12是切去了本發(fā)明實(shí)施方式8的燃料電池的一部分的正視圖。
圖13是切去了本發(fā)明實(shí)施方式9的燃料電池的一部分的正視圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的重點(diǎn)是使所述導(dǎo)電性隔板的燃料氣體和氧化劑氣體的至少一個(gè)氣體流路與入口側(cè)歧管相聯(lián)系的部分，比與所述歧管連接的氣體供給管的位置更靠重力方向的上側(cè)。這樣，就能夠進(jìn)行穩(wěn)定的氣體供給和防止在歧管內(nèi)的結(jié)露水的滯留，并能夠避免電池性能的下降或不穩(wěn)定現(xiàn)象。
在現(xiàn)有的燃料電池中，在隔板與重力方向平行、用于氣體供給的入口側(cè)歧管位于隔板的重力方向上側(cè)時(shí)，歧管一般被設(shè)置成橫向較長(zhǎng)，并在歧管的底部連接有氣體流路。因此，當(dāng)將氣體加濕到接近相對(duì)濕度100％地進(jìn)行供給時(shí)，在電池組的上游結(jié)露了的霧沫就集中供給到氣體供給管側(cè)的電池，導(dǎo)致了溢阻現(xiàn)象，電池性能下降。
本發(fā)明通過(guò)將隔板的氣體流路與入口側(cè)歧管相聯(lián)系的部分設(shè)置成比與所述入口側(cè)歧管連接的氣體供給管的位置更靠上側(cè)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各電池的穩(wěn)定的氣體供給。即，通過(guò)使隔板與重力方向平行，歧管的截面形狀成為縱長(zhǎng)或具有縱長(zhǎng)形狀的部分的形狀，在入口側(cè)歧管內(nèi)將氣體流路的入口相對(duì)于重力方向設(shè)定在上方，來(lái)避免向氣體供給管入口側(cè)電池集中供給霧沫，以進(jìn)行穩(wěn)定的氣體供給。
當(dāng)使歧管的截面形狀成為縱長(zhǎng)形狀時(shí)，在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)中，在向燃料電池組供給供給氣體的上游側(cè)，有部分結(jié)露了的水滯留在入口側(cè)歧管的下部的可能。這時(shí)，因減小了歧管的有效截面積，就使整個(gè)氣體路徑的壓力損失增加，并導(dǎo)致用于氣體供給的作功量的增大。其結(jié)果是，使使用了燃料電池組的系統(tǒng)的整體效率下降。此外，通過(guò)該滯留水的脈動(dòng)，氣體供給可能變得不穩(wěn)定。因此，通過(guò)使與歧管連接的氣體供應(yīng)管比歧管中央更位于下方，來(lái)利用供給氣體的動(dòng)壓使結(jié)露水不停滯。
此外，當(dāng)沒(méi)有均勻地進(jìn)行氣體分配時(shí)，氣體利用率就在各電池中發(fā)生變化。其結(jié)果是，可能在各電池的電池性能中產(chǎn)生離散。因此，在入口側(cè)歧管中，通過(guò)設(shè)置氣體供給管和所述氣體流路與入口側(cè)歧管相聯(lián)系的部分的最下部的細(xì)腰部，來(lái)保證入口側(cè)歧管內(nèi)的氣體壓力的均勻性。即，通過(guò)使入口側(cè)歧管內(nèi)的動(dòng)壓恢復(fù)到靜壓，就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各電池的均勻的氣體供給。通過(guò)該理論，即使使氣體供給管向歧管內(nèi)延長(zhǎng)，將孔設(shè)置在該延長(zhǎng)部分的重力方向上側(cè)，也能夠同樣地實(shí)現(xiàn)均勻的氣體供給。
下面，一邊參照附圖一邊對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明。
實(shí)施方式1圖1是本實(shí)施方式的隔板陰極側(cè)的正視圖。隔板1是通過(guò)機(jī)械加工將氣體流路和歧管孔設(shè)置在長(zhǎng)220mm、寬220mm、厚3mm的各向同性石墨板上而制成的。隔板1具有氧化劑氣體的入口側(cè)歧管孔21和出口側(cè)歧管孔23、燃料氣體的入口側(cè)歧管孔22和出口側(cè)歧管孔24、以及冷卻水的入口側(cè)歧管孔25和出口側(cè)歧管孔26。隔板1還在陰極側(cè)具有由聯(lián)系歧管孔21和23的2條并行的槽構(gòu)成的氣體流路27，在陽(yáng)極側(cè)具有聯(lián)系歧管孔22和24的氣體流路。
該氣體流路的槽尺寸是寬2mm、深2mm。用虛線28包圍的部分是與電極相接的區(qū)域，該區(qū)域長(zhǎng)150mm、寬150mm。氧化劑氣體的入口側(cè)歧管孔21是長(zhǎng)80mm，寬15mm的長(zhǎng)方形，在四角設(shè)置R部。使該歧管孔的底部與隔板的中央線重疊，在比該中央線靠上的上側(cè)配置歧管。此外，該歧管孔的面積設(shè)計(jì)成50個(gè)電池組層疊時(shí)的整個(gè)隔板的氧化劑氣體流路的總截面積的2倍以上。
在設(shè)置冷卻部時(shí)，取代兼有上述陰極側(cè)隔板和陽(yáng)極側(cè)隔板作用的單一的隔板，而使用了以冷卻水流路背對(duì)背的方式組合了在背面設(shè)置了冷卻水流路的陰極側(cè)隔板與在背面設(shè)置了冷卻水流路的陽(yáng)極側(cè)隔板的復(fù)合隔板。
圖2表示使用交替層疊了上述隔板1和MEA2的電池組的燃料電池。電池組經(jīng)由集電板3和絕緣板4用端板5來(lái)夾持，通過(guò)箍緊桿6和螺母7來(lái)箍緊。在該燃料電池中，MEA、集電板、絕緣板和端板上形成與所述隔板的各歧管孔連通的歧管孔，這些歧管孔分別構(gòu)成氣體及冷卻水的入口側(cè)歧管和出口側(cè)歧管。在一個(gè)端板上，安裝有與氧化劑氣體的入口側(cè)歧管連通的氧化劑氣體供給管11、與燃料氣體的歧管連通的燃料氣體供給管12以及與冷卻水的歧管連通的冷卻水供給管15。在另一個(gè)端板上，安裝了與各出口側(cè)歧管連通的氧化劑氣體排出管13、燃料氣體排出管14以及冷卻水排出管16。
該燃料電池被設(shè)置成，隔板1的陰極側(cè)和陽(yáng)極側(cè)的面相對(duì)于地面垂直，冷卻水的入口側(cè)歧管孔25成為上側(cè)。而且，氧化劑氣體的供給管11，如圖1所示，在形成為縱長(zhǎng)的歧管孔21內(nèi)，以對(duì)應(yīng)距上部約1/3的位置的方式來(lái)與端板連接。而且，隔板的氣體流路27的入口側(cè)被設(shè)計(jì)成與氣體供應(yīng)管11的位置相比更靠上側(cè)。此外，氣體流路在重力方向下側(cè)與出口側(cè)歧管孔23連接，并在該出口側(cè)歧管孔23上連接著氧化劑氣體排出管13。雖然沒(méi)有圖示，但是關(guān)于燃料的氣體供應(yīng)管與隔板的氣體流路入口側(cè)的位置關(guān)系、以及排出管與隔板的氣體流路出口側(cè)的關(guān)系與氧化劑氣體的這些部分相同。
實(shí)施方式2圖3是本實(shí)施方式中的隔板陰極側(cè)的正視圖。在該例中，使與氧化劑氣體供給管11的端板的連接位置為距歧管孔21的下部約1/10的位置，其他與實(shí)施方式1相同。對(duì)與圖1相同的要素附以相同的編號(hào)，并省略說(shuō)明。在以下的圖中也是同樣。
實(shí)施方式3圖4是本實(shí)施方式的隔板陰極側(cè)的正視圖。隔板1A將氧化劑氣體的流路27A的直線部設(shè)為左右方向。入口側(cè)歧管孔21A和出口側(cè)歧管孔23A被設(shè)置成縱長(zhǎng)形狀。而且，氣體供給管11A配置在歧管孔21A內(nèi)的下方，氣體排出管13A以位于與構(gòu)成氣體流路的2條槽中位于最下部的槽的出口相同的高度的方式來(lái)連接在端板上。此外，氣體流路27A的入口比管11A更位于上側(cè)。
實(shí)施方式4圖5是本實(shí)施方式的隔板陰極側(cè)的正視圖。隔板1B將氧化劑氣體的氣體流路27B的直線部設(shè)為上下方向。而且，氣體供給管11B和排出管13B配置在歧管孔21B和23B內(nèi)的下方，氣體流路27B的入口和出口都比管11B和13B更位于上側(cè)。
實(shí)施方式5圖6是本實(shí)施方式的隔板陰極側(cè)的正視圖。隔板1C具有L字狀的入口側(cè)歧管孔21C和出口側(cè)歧管孔23C，氣體供給管11C和氣體排出管13C分別被配置在歧管孔21C和23C內(nèi)的下方。聯(lián)系兩歧管孔的氣體流路27C的入口和出口都比管更靠上側(cè)。
實(shí)施方式6圖7是本實(shí)施方式的隔板陰極側(cè)的正視圖。在該隔板中，所有的歧管孔的形狀都是三角形。隔板1D具有氧化劑氣體的入口側(cè)歧管孔21D和出口側(cè)歧管孔23D、聯(lián)系兩歧管孔的氣體流路27D、燃料氣體的入口側(cè)歧管孔22D和出口側(cè)歧管孔24D、冷卻水的入口側(cè)歧管孔25D和出口側(cè)歧管孔26D。氧化劑氣體的供給管11D位于歧管孔21D內(nèi)的下方，此外，氧化劑氣體排出管13D位于歧管孔23D內(nèi)的下方，氣體流路27D的入口比管11D更靠上側(cè)。
實(shí)施方式7圖11是本實(shí)施方式的隔板陰極側(cè)的正視圖。隔板1具有氧化劑氣體的入口側(cè)歧管孔21、出口側(cè)歧管孔23、聯(lián)系兩歧管孔的氣體流路27、燃料氣體的入口側(cè)歧管孔22、出口側(cè)歧管孔24、冷卻水的入口側(cè)歧管孔25以及出口側(cè)歧管孔26。入口側(cè)歧管孔21和22在該截面形狀中在氣體供給管與氣體流路之間具有細(xì)腰部29。
實(shí)施方式8圖12是切去本實(shí)施方式所涉及燃料電池的一部分的正視圖。表示了隔板的氧化劑氣體的入口側(cè)歧管內(nèi)部。氣體供給管11具有位于入口側(cè)歧管21’內(nèi)那樣的長(zhǎng)度，在入口側(cè)歧管21’內(nèi)配置了氣體供給管11的延長(zhǎng)部分(配管)，并以10mm的間隔來(lái)在其延長(zhǎng)部分的上表面上設(shè)置多個(gè)用于氣體供給的φ5mm的孔30。另外，1是導(dǎo)電性隔板，2是MEA，3是集電板，4是絕緣板，5是端板。
實(shí)施方式9圖13是切去本實(shí)施方式所涉及燃料電池的一部分的正視圖。表示了隔板的燃料氣體的入口側(cè)歧管21’內(nèi)部。氣體供給管11具有位于入口側(cè)歧管21’內(nèi)那樣的長(zhǎng)度，在入口側(cè)歧管21’內(nèi)配置了氣體供給管11的延長(zhǎng)部分(配管)，在該延長(zhǎng)部分的上表面上設(shè)置多個(gè)用于氣體供給的φ5mm的孔31。這時(shí)，隨著從入口側(cè)歧管21’和氣體供給管11的連接部11a，到入口側(cè)歧管21的深處，使孔彼此的間隔變窄。另外，1是導(dǎo)電性隔板，2是MEA，3是集電板，4是絕緣板，5是端板。
下面，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明。
實(shí)施例1在乙炔炭黑系碳粉末中，載持了25重量％的平均粒徑約30的鉑粒子。將其作為陰極催化劑。此外，在乙炔炭黑系碳粉末中，載持了25重量％的平均粒徑約30的鉑釕合金粒子。將其作為陽(yáng)極催化劑。將這些催化劑粉末分散到異丙醇中，并與全氟化碳磺酸粉末的乙醇分散液混合成為糊劑狀。以這些糊劑為原料，使用網(wǎng)版印刷法分別涂敷在厚度250μm的碳無(wú)紡布的一個(gè)面上來(lái)形成催化劑層。所得到的各個(gè)電極催化劑層中所含有的催化劑金屬量為0.3mg/cm2，全氟化碳磺酸的量為1.2mg/cm2。
這些電極中，除催化劑材料以外，陰極·陽(yáng)極均為相同的結(jié)構(gòu)。這些電極在具有比其大一圈的面積的氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜的中心部的兩面上，以印刷的催化劑層與電解質(zhì)膜側(cè)相接的方式通過(guò)熱壓來(lái)接合。進(jìn)而，將厚度250μm的氟系橡膠片切減成規(guī)定的大小，夾著露出在所述電極外周部的電解質(zhì)膜來(lái)配置在兩側(cè)，通過(guò)熱壓來(lái)進(jìn)行接合一體化，制作MEA。這里，作為氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜，使用了將全氟化碳磺酸薄膜化成30μm厚度的薄膜。
在本實(shí)施例中，使用了在實(shí)施方式1所說(shuō)明的結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電性隔板。這里使用的導(dǎo)電性隔板，其板面與地面垂直，并以冷卻水的入口側(cè)歧管孔25位于上側(cè)的方式來(lái)設(shè)置電池。反應(yīng)氣體沿重力方向向下地流過(guò)由水平方向的直線部和回轉(zhuǎn)部構(gòu)成的彎曲型氣體流路。
交替層疊導(dǎo)電性隔板和MEA。這時(shí)，每層疊了2個(gè)電池的MEA就設(shè)置流過(guò)冷卻水的冷卻部。層疊了50個(gè)電池的MEA后，經(jīng)由由表面鍍金了的銅板構(gòu)成的集電板和對(duì)聚苯硫制的絕緣板，用不銹鋼制的端板來(lái)夾持，并用箍緊桿來(lái)箍緊兩端板。這時(shí)，電極的每單位面積的箍緊壓為10kgf/cm2。
在該燃料電池組的一個(gè)端板上，如圖2所示，連接向燃料電池組內(nèi)的各歧管供給反應(yīng)氣體和冷卻水的供給管，在另一個(gè)端板上連接有排出管。但是，也可以是在燃料電池組內(nèi)進(jìn)行U形回轉(zhuǎn)并從相同的端板進(jìn)行供給·排出的結(jié)構(gòu)。
比較例1圖8表示了比較例的電池的導(dǎo)電性隔板。該隔板30具有氧化劑氣體的入口側(cè)歧管孔41和出口側(cè)歧管孔43、燃料氣體的入口側(cè)歧管孔42和出口側(cè)歧管孔44、以及冷卻水的入口側(cè)歧管孔45和出口側(cè)歧管孔46。隔板30還在陰極側(cè)具有由聯(lián)系歧管孔41和43的2條并行的槽構(gòu)成的氣體流路47，在陽(yáng)極側(cè)具有聯(lián)系歧管孔42和44的氣體流路。如圖8所示，從氧化劑氣體供給管31向隔板30的上部入口側(cè)歧管41供給的氧化劑氣體沿重力方向向下方流去，并從出口側(cè)歧管孔43排出到氣體排出管33中。對(duì)于燃料氣體也是同樣，從入口側(cè)歧管孔42流向氣體流路，并從出口側(cè)歧管孔44排出到排出管中。
將實(shí)施例1和比較例1的高分子電解質(zhì)型燃料電池保持在75℃，向陽(yáng)極供給用于達(dá)到75℃的露點(diǎn)的加濕？加熱的燃料(80％氫氣/20％二氧化碳/10ppm一氧化碳)，向陰極供給用于達(dá)到75℃的露點(diǎn)的加濕加熱的空氣，并進(jìn)行額定運(yùn)轉(zhuǎn)。電池的額定運(yùn)轉(zhuǎn)條件是燃料利用率75％、氧利用率40％以及電流密度0.3A/cm2。圖9表示了在該運(yùn)轉(zhuǎn)下的各電池的電池電壓的比較。在圖9的橫軸上，表示了從氣體的入口側(cè)開(kāi)始的電池編號(hào)。
在比較例1的電池中，靠近入口的氣體供給管的小編號(hào)電池的性能呈不規(guī)則地下降。該比較例1的電池結(jié)構(gòu)是從入口側(cè)歧管的下部向隔板的氣體流路供給氣體。因此，在高加濕下供給的氣體有一部分在電池組的上游側(cè)結(jié)露，該結(jié)露水流入靠近氣體供給管的小編號(hào)電池的氣體流路中，從而引起溢阻現(xiàn)象并使性能下降。另外，在實(shí)施例1的電池中，通過(guò)將通向歧管孔的氣體流路的連接位置與連接到隔板的反應(yīng)氣體的入口側(cè)歧管孔上的氣體供給管的位置相比設(shè)置在相對(duì)于重力方向的上方，來(lái)暫時(shí)在歧管孔內(nèi)捕集霧沫，并避免集中的霧沫供給。從以上確認(rèn)了本實(shí)施例的有效性。
實(shí)施例2在本實(shí)施例中，實(shí)施方式2即如圖3的陰極側(cè)隔板所示，做成了將與入口側(cè)歧管連接的氣體供給管的位置設(shè)定在距歧管的下端為歧管的縱向長(zhǎng)度十分之一的位置上的電池。其它的結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1相同。圖10表示了在額定運(yùn)轉(zhuǎn)條件下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)本實(shí)施例和實(shí)施例1的電池的結(jié)果。
實(shí)施例1的電池的電池性能是脈動(dòng)的，表現(xiàn)出了電池電壓有時(shí)瞬間下降的現(xiàn)象。對(duì)此，本實(shí)施例的電池顯示了穩(wěn)定的性能。這是因?yàn)樵趯?shí)施例1的電池中，由于氣體供給管的位置位于從歧管的上部開(kāi)始三分之一的位置處，所以在氣體供給管的中途結(jié)露了的水就滯留在歧管的下部，由于該滯留水使供給氣體壓力產(chǎn)生了脈動(dòng)，或者該滯留水被不規(guī)則地供給到氣體流路中而使電池的氣體流路暫時(shí)閉塞，從而使電池電壓下降。進(jìn)而，實(shí)施例1的電池中的燃料電池組整體的氣體流流路徑的壓力損失因在歧管中滯留有結(jié)露水，所以實(shí)際上就相對(duì)于設(shè)計(jì)值變大了30％，使燃料電池系統(tǒng)整體效率下降。對(duì)此，在本實(shí)施例的電池中，壓力損失顯示出了如所設(shè)計(jì)的那樣值，并確認(rèn)了能夠不產(chǎn)生水滯留在歧管內(nèi)的問(wèn)題地來(lái)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。
此外，與歧管連接的氣體供給管的位置只要是在歧管中央的下方位置，則無(wú)論是什么位置都能得到不產(chǎn)生由水的滯留引起的不穩(wěn)定現(xiàn)象的結(jié)果。
在本實(shí)施例中，雖然氣體沿重力方向向下方流動(dòng)，并且是針對(duì)縱長(zhǎng)形狀的歧管進(jìn)行嘗試的，但是已確認(rèn)了，即使在如圖4所示的有向重力方向向上的氣流的隔板，或如圖5和圖6所示的歧管形狀為異形的隔板中，也能夠得到穩(wěn)定的電池性能。
實(shí)施例3在本實(shí)施例中，做成了使用實(shí)施方式6的隔板、即圖7的隔板的電池。額定運(yùn)轉(zhuǎn)該電池的結(jié)果是，與實(shí)施例2的電池相比，確認(rèn)了能夠確保更長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定的電池性能。這是因?yàn)椋趯?shí)施例2的電池中，氣體流路的出口側(cè)與出口側(cè)歧管的上部連接，所以通過(guò)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)就在歧管下部暫時(shí)滯留了結(jié)露水或生成水，并且反應(yīng)氣體壓力在電池組內(nèi)產(chǎn)生了脈動(dòng)，從而電池性能產(chǎn)生了不穩(wěn)定。另外，在本實(shí)施例的電池中，由于將氣體流路的出口側(cè)與氣體排出管的歧管的連接位置設(shè)在歧管內(nèi)的下部，所以就利用未反應(yīng)氣體的動(dòng)壓來(lái)一直防止結(jié)露水或生成水的滯留，并使氣體和水的穩(wěn)定的排出成為可能。
此外，在使用了圖7的隔板的電池組中，當(dāng)把用于將未反應(yīng)氣體從出口側(cè)歧管排出到電池組外部的氣體排出管的位置改變到歧管中央時(shí)，就明顯地在歧管下部滯留結(jié)露水或生成水，從而電池性能變得不穩(wěn)定。在本實(shí)施例的電池中，由于氣體排出管被設(shè)置在歧管內(nèi)的下部，所以就不會(huì)產(chǎn)生水的滯留，并確保了穩(wěn)定的電池性能。
實(shí)施例4在本實(shí)施例中，使用了實(shí)施方式7的隔板，即圖11的隔板來(lái)做成了電池。額定運(yùn)轉(zhuǎn)該電池的結(jié)果是，與實(shí)施例2的電池相比，確認(rèn)了能夠確保更長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定的電池性能。這是因?yàn)?，在?shí)施例2的電池中，從入口側(cè)歧管孔21流向氣體流路內(nèi)的氣體分配不完全均勻，在各電池中的氣體利用率方面產(chǎn)生了離散。另外，在本實(shí)施例的電池中，在入口側(cè)歧管中，由于設(shè)置了氣體供給管和所述氣體流路與入口側(cè)歧管相聯(lián)系的部分的最下部的細(xì)腰部，所以就能夠保持入口側(cè)歧管內(nèi)的氣體壓力的均勻，并能夠通過(guò)使入口側(cè)歧管內(nèi)的動(dòng)壓恢復(fù)到靜壓，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各電池的均勻的氣體供給。
實(shí)施例5在本實(shí)施例中，如圖12所示在氧化劑氣體的入口側(cè)歧管內(nèi)延伸氣體供給管來(lái)設(shè)置延長(zhǎng)部分(配管)，在其上表面上以10mm的間隔來(lái)設(shè)置用于進(jìn)行氣體供給的φ5mm的孔30，除此之外其它與實(shí)施例1相同地來(lái)制作電池。額定運(yùn)轉(zhuǎn)該電池的結(jié)果是，與實(shí)施例1的電池相比，確認(rèn)了能夠確保更長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定的電池性能。這是因?yàn)?，在?shí)施例1的電池中，從入口側(cè)歧管孔21流向氣體流路內(nèi)的氣體分配不完全均勻，在各電池中的氣體利用率方面產(chǎn)生了離散。另外，在本實(shí)施例的電池中，在入口側(cè)歧管中，由于使氣體供給管延長(zhǎng)至歧管內(nèi)，并在該延長(zhǎng)部分的重力方向上側(cè)設(shè)置了孔，所以就能夠保持入口側(cè)歧管內(nèi)的氣體壓力的均勻，并能夠通過(guò)使入口側(cè)歧管內(nèi)的動(dòng)壓恢復(fù)到靜壓，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各電池的均勻的氣體供給。
實(shí)施例6在本實(shí)施例中，如圖13所示在燃料氣體的入口側(cè)歧管內(nèi)延伸氣體供給管來(lái)設(shè)置延長(zhǎng)部分(配管)，在其上表面上設(shè)置20個(gè)用于供給氣體的φ5mm的孔31。這時(shí)，隨著從入口側(cè)歧管孔21和氣體供給管11的連接部11a，到入口側(cè)歧管孔21的深處，使孔31的間隔變窄。具體地說(shuō)，分別使從第1號(hào)到第6號(hào)的間隔為10mm，分別使從第6號(hào)到第11號(hào)的間隔為8mm，分別使從第11號(hào)到第16號(hào)的間隔為6mm，分別使從第16號(hào)到第20號(hào)的間隔為4mm，這樣來(lái)變窄。除此之外，其它與實(shí)施例5同樣地來(lái)制作電池。額定運(yùn)轉(zhuǎn)該電池的結(jié)果是，與實(shí)施例5的電池相比，確認(rèn)了能夠確保更長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定的電池性能。這是因?yàn)椋趯?shí)施例6的電池中，雖然從入口側(cè)歧管孔21流向氣體流路內(nèi)的氣體分配變得均勻了，但是通過(guò)使孔的間隔變窄，即使在入口側(cè)歧管的深處也能夠防止供給氣體的壓力損失。
在以上的實(shí)施例中，在陰極側(cè)和陽(yáng)極側(cè)，規(guī)定了氣體供給管及隔板的氣體流路的入口側(cè)和歧管的位置關(guān)系，進(jìn)而規(guī)定了氣體排出管及隔板的氣體流路的出口側(cè)和歧管的位置關(guān)系。但是即使只在陰極側(cè)或只在陽(yáng)極側(cè)規(guī)定了上述的位置關(guān)系也能夠得到應(yīng)有的效果。此外，在實(shí)施例中，雖然是針對(duì)內(nèi)部歧管形式的電池進(jìn)行說(shuō)明的，但是對(duì)于外部歧管形式的電池也同樣能夠適用。
綜上所述，根據(jù)本發(fā)明，由于實(shí)現(xiàn)了對(duì)層疊電池組的全部電池的均勻的氣體供給，并不在歧管內(nèi)部滯留結(jié)露水，而能夠在氣體的穩(wěn)定供給下防止電池性能的下降或不穩(wěn)定化，所以能夠提高燃料電池的可靠性。因此，認(rèn)為該燃料電池適合應(yīng)用于家庭用熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)或汽車用燃料電池。
權(quán)利要求
1.一種高分子電解質(zhì)型燃料電池，是下述固體高分子型燃料電池，該燃料電池具備電池組，電池組由下述部分構(gòu)成氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜；夾著所述氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜的一對(duì)電極；以及具有對(duì)所述一個(gè)電極進(jìn)行燃料氣體的供給·排出的氣體流路、和具有對(duì)另一個(gè)電極進(jìn)行氧化劑氣體的供給·排出的氣體流路的一對(duì)導(dǎo)電性隔板，其特征在于所述導(dǎo)電性隔板的燃料氣體和氧化劑氣體的至少一個(gè)氣體流路與入口側(cè)歧管相聯(lián)系的部分的最下部與連接在所述歧管上的氣體供給管的位置相比，在重力方向上位于上側(cè)。
2.如權(quán)利要求1所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池，其特征在于所述導(dǎo)電性隔板被設(shè)置成與重力方向平行。
3.如權(quán)利要求2所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池，其特征在于所述入口側(cè)歧管具有縱長(zhǎng)截面形狀。
4.如權(quán)利要求2或3所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池，其特征在于與所述入口側(cè)歧管連接的所述氣體供給管的連接部分比所述歧管的中央靠下方。
5.如權(quán)利要求1所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池，其特征在于所述導(dǎo)電性隔板的至少一個(gè)氣體流路與出口側(cè)歧管相聯(lián)系的部分、以及所述出口側(cè)歧管與氣體排出管的連接部分位于所述出口側(cè)歧管內(nèi)的下方。
6.如權(quán)利要求1所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池，其特征在于在所述氣體供給管與所述最下部之間，所述入口側(cè)歧管在其截面形狀中具有細(xì)腰部。
7.如權(quán)利要求1所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池，其特征在于所述氣體供給管延長(zhǎng)至所述入口側(cè)歧管內(nèi)。
8.如權(quán)利要求7所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池，其特征在于在所述入口側(cè)歧管內(nèi)，在所述氣體供給管的延長(zhǎng)部分的上部側(cè)面上具有至少一個(gè)孔。
9.如權(quán)利要求8所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池，其特征在于具有多個(gè)所述孔，所述孔彼此的間隔隨著遠(yuǎn)離所述入口側(cè)歧管的開(kāi)口部而變窄。
全文摘要
在隔板中，消除了以下問(wèn)題霧沫部分地混入供給氣體中，與之相伴，電池性能下降或不能確保穩(wěn)定性。高分子電解質(zhì)型燃料電池具備電池組，該電池組由下述部分構(gòu)成氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜；夾著電解質(zhì)膜的一對(duì)電極；以及具有對(duì)電極進(jìn)行燃料氣體或氧化劑氣體的供給排出的燃料氣體或氧化劑氣體的氣體流路的一對(duì)導(dǎo)電性隔板，其中，使導(dǎo)電性隔板的燃料氣體和氧化劑氣體的至少一個(gè)氣體流路與入口側(cè)歧管相聯(lián)系的部分的最下部與連接到歧管上的氣體供給管的位置相比，在重力方向上位于上側(cè)。
文檔編號(hào)H01M8/02GK1536703SQ20041003344
公開(kāi)日2004年10月13日 申請(qǐng)日期2004年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月9日
發(fā)明者竹口伸介, 仁, 羽藤一仁, 弘樹, 日下部弘樹, 夫, 小原英夫, 一, 柴田礎(chǔ)一, 富澤猛 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社